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Neuropsychology

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JoVE Science Education Neuropsychology

The Split Brain

00:00Overview
01:55Experimental Design
05:34Running the Experiment
07:34Representative Results
08:32Applications
10:00Summary

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Le cerveau divisé

English

Overview

Source : Laboratoires de Jonas T. Kaplan et Sarah I. Gimbel — University of Southern California

L’étude de comment les dommages au cerveau affectent le fonctionnement cognitif a toujours été un des outils plus importants pour les neurosciences cognitives. Alors que le cerveau est une des parties mieux protégées du corps, il y a beaucoup d’événements qui peut affecter le fonctionnement du cerveau. Problèmes vasculaires, les tumeurs, maladies dégénératives, infections, traumatismes contondant et neurochirurgie sont quelques-unes des causes de lésions cérébrales, qui peuvent produire différents modèles de lésions tissulaires qui affectent le fonctionnement du cerveau dans différentes manières.

L’histoire de la neuropsychologie est marquée par plusieurs cas bien connus qui ont conduit à des avancées dans la compréhension du cerveau. Par exemple, en 1861 Paul Broca a observé comment des dommages à la gauche lobe frontal a abouti à l’aphasie, un trouble du langage acquis. Comme autre exemple, beaucoup de choses sur la mémoire a été appris de patients souffrant d’amnésie, comme dans le cas célèbre de Henry Molaison, connu depuis de nombreuses années dans la littérature de neuropsychologie comme « H.M., » dont la chirurgie lobe temporal a conduit à un déficit profond dans la formation de certains types de nouveaux souvenirs.

Lors de l’observation et des tests des patients avec des lésions cérébrales focales a fourni des neurosciences avec aperçu sur le fonctionnement du cerveau, grand soin doivent être prises dans la conception de tests pour révéler la spécificité du déficit. Parce que le cerveau est un réseau complexe de neurones interconnectés, dommages causés à la région un cerveau peut également affecter fonctionnement dans les régions loin des dommages. Afin de démontrer comment les lésions cérébrales peuvent affecter les connexions entre les régions du cerveau, cette vidéo examine le cas de la soi-disant demi-cerveau.

Le corps calleux est un gros faisceau de fibres qui relie les hémisphères droit et gauche du cerveau. Il est l’un des plus grands tracts matière blanche dans le cerveau et peut être facilement reconnus sur une vue sagittale de la ligne médiane du cerveau. Dans les années 1960, neurochirurgiens a découvert que le fait de couper le corps calleux pourrait être un traitement efficace pour certains types d’épilepsie, ce qui implique l’activité neurale incontrôlable se répandre dans le cerveau. Les personnes qui ont subi l’opération « split brain » avaient leurs deux hémisphères chirurgicalement séparés, tels que les hémisphères gauche et droite n’étaient plus en mesure de communiquer. Cette condition a permis des expérimentateurs sonder les fonctions de l’hémisphère gauche et droit séparément, pour apprendre sur les capacités relatives et sur la nature de la communication entre eux.

Cette vidéo montre comment tester un patient « split brain » de révéler certaines des différences entre les deux hémisphères du cerveau et de voir certaines conséquences dramatiques d’un tel désaccouplement. Les versions originales de ces expériences ont été mis au point par Michael Gazzaniga et collègues^{1, 2}et plus tard ont été développées par des tiers ; ³ la version présentée ici intègre les plus récentes modernisations de la méthodologie.

Procedure

1. patient et contrôle de recrutement Il existe une variété de patients atteints de syndromes de déconnexion, y compris les callosotomies chirurgicales complets ou partiels et des affections congénitales, comme une agénésie du corps calleux (ACC), dans lequel le corps calleux ne pleinement atteint. Il existe plusieurs voies qui relient les deux hémisphères ; la plus importante est le corps calleux, mais certaines fibres se croisent à la commissure antérieure, la commissure hippocampique et la commissure postérieure. Noter que ces différentes variétés de déconnexion peuvent conduire à des résultats comportements différents dans ce test. Aux fins de cette expérience, présélectionner le patient par le biais de neuro-imagerie pour confirmer l’absence de raccordement de fibres. Standard IRM et imagerie de diffusion, ce qui peut être utilisé pour des étendues de matière blanche image, sont particulièrement utiles. Savoir quels raccordement fibres sont présents chez le patient aide à l’interprétation des résultats. Dans cette démonstration, un patient présentant une callosotomie complète a été sélectionné. S’assurer que le patient a été pleinement informé des procédures de recherche et a signé tous les formulaires de consentement approprié. Recruter les 20 participants de même âge et du même sexe que le patient, appariés pour l’intelligence, à l’aide des scores sur le Wechsler Adult Intelligence Scale (WAIS). 2. collecte des données Afin de présenter des stimuli visuels à l’hémisphère gauche ou à droite seulement, les stimuli doivent être régulièrement soumis à un champ visuel. Notez que ce n’est pas équivalent à la présentation du stimulus à un œil. Les projets de chaque oeil pour les deux hémisphères du cerveau ; par exemple, la partie de l’oeil gauche qui voit le champ visuel gauche est traitée par l’hémisphère droit, mais la partie de le œil gauche qui traite le champ visuel droit est vu par l’hémisphère gauche. Par conséquent, pour présenter une image à l’hémisphère gauche, présentez-le entièrement dans le champ visuel droit, qui est à droite du où le patient est à la recherche. Pour atteindre cette latéralisation, utilisez une mentonnière pour maintenir les yeux environ 22 pouces de l’écran de l’ordinateur. Placez le menton du patient confortablement au sein de la mentonnière, face à l’écran. Avoir une petite Croix demeurent dans le centre de l’écran pour indiquer un emplacement pour le patient de se focaliser leurs yeux. Demander au patient de maintenir leur fixation sur cette croix tout au long de l’expérience, alors même que les images apparaissent à gauche ou à droite de celui-ci. Expliquer au patient que lorsqu’une image apparaît, ils devraient dire à haute voix le nom de l’objet. Présenter des images des objets connus brièvement à gauche ou à droite de l’écran pour projeter les hémisphères gauche ou droit du cerveau, respectivement. 50 images sont présentées dans un ordre aléatoire d’un ensemble d’objets qui incluent des dessins facilement reconnaissables, comme une pomme, une balle, un balai et un poulet. Présenter les images pour moins de 150 ms assurer la bonne latéralisation. Il s’agit d’assez de temps pour voir le stimulus, mais assez rapidement si le patient n’est pas en mesure de déplacer leurs yeux pour voir le stimulus dans la vision centrale. Demandez au patient de nommer les objets présentés sur l’écran à haute voix et d’enregistrer leurs réponses. Ceci est un test de capacité linguistique verbal et devrait révéler les différences en parlant de capacité entre les hémisphères. Si le patient est incapable de nommer chacun des objets, demandez au patient de dessiner l’objet, sans regarder le papier, avec la main ipsilatéral à (sur le même côté que) le stimulus. Cela sert comme une mesure non linguistiques de la connaissance du stimulus. La main homolatérale à la stimulation est contrôlée par l’hémisphère qui a vu le stimulus. Par exemple, lorsque le stimulus est présenté dans le champ visuel gauche, elles sont traitées par l’hémisphère droit. L’hémisphère droit est en grande partie responsable du contrôle de la main gauche. Veillez à ce que le patient ne ressemble pas à leur portée de main alors qu’il dessine pour maintenir l’isolement du stimulus d’un hémisphère. Lorsque le patient a terminé un objet de dessin, demandez-leur d’examiner l’objet et dire ce que c’est à haute voix. Cela confirme que le patient connaît le nom de l’objet lorsqu’il est présenté dans la vision centrale, même s’ils sont incapables de le nommer lorsqu’elle est remise à un seul hémisphère. Répétez l’opération pour chaque participant de contrôle. 3. analyse des données Pour analyser les performances du patient, comparer les données du demi-champ gauche et droite visuel avec l’autre. Pour ce faire, totaliser le nombre de réponses correctes et incorrectes dans chaque champ visuel et tester la probabilité d’obtenir une différence aussi grande que celle observée à l’aide d’un test du Khi deux d’indépendance. Comparer les données du patient avec les données de l’âge, le sexe et population de témoins appariés intelligence afin de déterminer les déficits dans le comportement de patients. Pour ce faire, compilez la note moyenne globale de chacun des champ visuel gauche et droite champ visuel séparément et comparer les distributions à l’aide d’une analyse de variance de mesures répétées d’essai (ANOVA).

Results

Typically, callosotomy patients exhibit an anomia for objects presented in the left visual half-field. Anomia is the inability to name objects. Objects presented to the right visual field, however, are named with high accuracy (Figure 1).

Figure 1: Patient and control performance in the naming objects task for stimuli presented in the left and right visual fields. The patient (black circles) is not able to verbally name objects presented in the left visual field, but is able to name objects in the right visual field. In contrast, the control population (blue diamonds) can name objects presented in both the left and right visual fields.

Some patients may be able to successfully draw objects presented to the left visual field, even though they cannot verbally name them (Figure 2).

Figure 2: Patient and control performance in the drawing objects task for stimuli presented in the left and right visual fields. The patient (black circles) and control population (blue diamonds) are able to draw objects presented in both the left and right visual fields. The patient's performance does not differ from matched controls.

In this case, the patient usually says they haven't seen anything. This is because the left hemisphere, which is controlling speech, has not seen the visual image. However, the right hemisphere, which has seen the object, can recognize it but is unable to generate speech. Since the right hemisphere is largely in control of the left hand, the patient is able to draw the object with the left hand. This result demonstrates a dissociation between the ability to recognize an object and the ability to verbally name an object.

The control population, with intact corpora callosa, can both name and draw objects presented in the left or right visual fields. This is because information can freely pass from one hemisphere to the other, allowing for the sharing of information between the brain regions.

Applications and Summary

The case of the split-brain patient reveals the relative specialization of the two cerebral hemispheres. Many of these specializations can also be demonstrated in healthy people with intact commissures using similar techniques. For example, people tend to recognize words faster when they are presented briefly in the right visual field compared to when they are presented in the left visual field. This experiment also shows that even when two brain regions are healthy, damage to the connections between different regions can affect behavior.

However, it is important to remember that while testing the split brain demonstrates the differences between the two cerebral hemispheres, in the intact brain, the two hemispheres are continually interacting with each other and working in concert. To isolate a stimulus to one visual field requires specialized equipment that can present stimuli very briefly and away from central fixation. Since central vision is processed by both hemispheres, and the eyes typically scan an environment, this is not a situation that is likely to be encountered in everyday life.

References

Gazzaniga, M. S., Bogen, J. E., & Sperry, R. W. (1962). Some functional effects of sectioning the cerebral commissures in man. Proc Natl Acad Sci U S A, 48, 1765-1769.
Gazzaniga, M. S., Bogen, J. E., & Sperry, R. W. (1965). Observations on visual perception after disconnexion of the cerebral hemispheres in man. Brain, 88(2), 221-236.
Zaidel, E., Zaidel, D., & Bogen, J. E. (1990). Testing the commussurotomy patient. In A. Boulton, G. Baker, & M. Hiscock (Eds.), Neuromethods (pp. 147-201). Clifton, NJ: Humana Press.

Transcript

Neuropsychologists study “split-brain” patients to probe the unique functions of the left and right brain hemispheres—in other words, to study lateralization—and to also investigate the nature of communication between these regions.

Primarily speaking, information from one side of the body is processed within the opposite half of the brain. In addition, each hemisphere contralaterally directs body movements.

These areas also have different cognitive strengths: the left side is typically associated with the control of language and speech, whereas the right plays a large role in processing visuospatial information—like judging the spatial arrangements of dials on a machine.

Normally, collections of neurons’ axons—referred to as nerve fiber bundles—transfer information between these hemispheres. One of the largest of such tracts is the corpus callosum.

However, this inter-hemispheric communication is interrupted in split-brain patients, whose corpora callosa have been surgically severed—a treatment sometimes used to reduce the uncontrollable neural activity characteristic of epilepsy from spreading throughout the entire brain.

Using modernizations of psychologist Michael Gazzaniga’s techniques, this video demonstrates how to test split-brain patients and assess their cognitive abilities—specifically speech production—and illustrates data collection and analysis methods.

In this experiment, patients are shown images of everyday objects and asked to verbalize the name of each item.

To achieve lateralization, patients are instructed to focus on a cross symbol in the center of a computer screen, and told to remain fixated on this shape for the duration of the experiment. Here, the cross serves as a reference point next to which visual stimuli can be shown on either the right or left.

If an image is presented on the right of the screen, it falls into the right visual field—which, perhaps counterintuitively, is processed by the left portions of both eyes. These regions then project the observed image to the left hemisphere of the brain, where it is identified.

Thus, functions of the left brain hemisphere can be assessed by showing images in the right visual field.

Similarly, a stimulus presented to the left of the cross onscreen—in the left visual field—can be used to evaluate the roles of the right hemisphere.

During the naming objects task, a total of fifty drawings, like that of a chicken, appear one at a time on a random side of the monitor—either the right or left.

Pictures are presented for less than 150 ms. As this is not enough time for a patient to move their eyes to reposition the image, it ensures that only the brain hemisphere being tested “sees” the stimulus.

After the image disappears, the patient must identify it aloud, which serves as a measure of the lateralization of verbal linguistic capability.

Here, the dependent variable is the percentage of images shown in the left and right visual fields that the patient is able to name—in other words, the accuracy of verbal identification.

Based on the previous work of Gazzaniga and others, it is expected that patients will be able to name images presented in the right visual field with high accuracy, as this information is seen by the left hemisphere—the region capable of controlling speech.

However, patients will be unable to verbally identify pictures shown in the left visual field, as this information is handled by the right brain hemisphere, which is incapable of generating language and—in split-brain patients—cannot communicate with the speech-capable left side.

If the image can’t be named—referred to as anomia—a drawing task is performed, which serves as a non-linguistic measure of stimulus knowledge.

Here, patients must create a picture of the image they were shown using the hand on the ipsilateral or same side as the tested visual field. Thus, if patients can’t verbally identify an object presented on the left of the screen, they should draw it with their left hand.

In this instance, the dependent variable is the percentage of images shown in the left and right visual fields that are accurately drawn.

It is expected that patients unable to name pictures shown on the left of the monitor will still be able to draw them—using their left hand—with high accuracy.

This is due to the fact that the right hemisphere—which controls the left arm and hand—also processes information from the left visual field. Thus, no communication is needed between the hemispheres to complete this task.

Prior to beginning the experiment, review patients’ MRI data to determine which nerve fiber bundles they are lacking. For the purpose of this demonstration, a patient in whom the entire corpus callosum has been severed is tested, and their data will be compared to those collected from control participants.

Greet the patient when they arrive, and inform them of the research procedures. In addition, assure that they have signed all appropriate consent forms.

Then, proceed to place their chin comfortably in a chinrest so that their eyes are positioned approximately 22 in. from the screen.

With the small cross displayed in the center of the screen, emphasize to the patient that they must remain fixated on this symbol, even as images flash to the left or right of it.

Proceed by showing them 50 images, each of which are presented for 150 ms, in a random order, and evenly divided between sides. After every presentation, instruct the patient to identify the object out loud: “Apple”. Record all of their responses.

If the patient cannot name the visual stimulus, ask them to draw it with the hand on the same side as the visual field in which the picture was shown. This constitutes the drawing objects task.

Make sure that the patient does not look at their hand as they are drawing, in order to maintain the initial isolation of the stimulus to one brain hemisphere.

To confirm that the patient knows the name of the stimulus when it is simultaneously presented to both fields of view, have them look down at their completed drawing and verbally identify the object it represents: “Broom”. Again, record all of the patient’s responses.

To analyze the data, first calculate the percentage of correct verbal responses across patients for stimuli presented to the left and right visual fields.

Proceed by separately compiling the percentage of correct verbal response scores for each control participant’s left and right locations.

To identify any deficits in patient behavior, compare control and patient data using a repeated-measures analysis of variance test. Repeat the analysis for all data collected from the drawing test.

Notice that while patients are typically unable to name stimuli presented to the left visual field, they can draw them—with their left hand—with a high degree of accuracy. This demonstrates a dissociation between a patient’s ability to recognize and verbally name an object.

Now that you know how to test the functions of the left and right hemispheres of split-brain patients with visual stimuli, let’s see how researchers explore and apply lateralization in other contexts.

You’ve learned that surgical separation of the two hemispheres is often used to treat patients with epilepsy, which is characterized by seizures.

As a result, many neuroscientists are looking at whether the timing of this disconnection—whether the corpus callosum is severed during childhood or adulthood—has any affect on a patient’s cognitive functions.

Importantly, such work has demonstrated that compared to adults, children experience fewer—or less severe—cognitive effects following the disconnection of the brain hemispheres, suggesting that young brains demonstrate a great degree of plasticity.

Up until now, we’ve focused on the corpus callosum as the major connection between the left and right hemispheres.

However, other nerve fiber bundles allow for communication between the sides of the brain. Among them is the anterior commissure, which has been implicated in the transfer of sensory information, like that pertaining to sight or smell.

Thus, some researchers are looking at how the disconnection of one or more of these bundles—with or without severance of the corpus callosum—affects patient behavior.

You’ve just watched JoVE’s video on testing split-brain patients using visual stimuli. By now, you should understand how to present images to the two visual fields, and collect and interpret data relating to the abilities of the left and right brain hemispheres. You should also know how data from split-brain patients is being used to develop better treatments for epilepsy, and understand the roles of different nerve fiber bundles in the brain.

Thanks for watching!

Cite This

JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. The Split Brain. JoVE, Cambridge, MA, (2023).